發(fā)動(dòng)機(jī)氣道性能檢測(cè)盒的CNC成形加工

■ 中國(guó)第一汽車股份有限公司研發(fā)總院 （吉林長(zhǎng)春 130022） 王 勛 杜 嚴(yán) 徐婉竹

發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)氣體流動(dòng)是影響其燃燒性能的決定性因素，直接決定其動(dòng)力、經(jīng)濟(jì)及排放特性。因此汽車發(fā)動(dòng)機(jī)在開發(fā)過(guò)程中需要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋上的氣道進(jìn)行檢測(cè)，來(lái)檢查所設(shè)計(jì)的氣道是否能滿足發(fā)動(dòng)機(jī)整體性能的要求。傳統(tǒng)方法是直接將設(shè)計(jì)好氣道的發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋連接到氣道試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行氣道性能測(cè)試。由于發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋的制作周期長(zhǎng)、生產(chǎn)成本昂貴，導(dǎo)致了發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋氣道檢測(cè)的試驗(yàn)周期過(guò)長(zhǎng)，試驗(yàn)效率低、成本高。針對(duì)上述問題采用CNC數(shù)控加工氣道性能檢測(cè)盒，使得加工周期短、成本低，可以快速地模擬發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋氣道來(lái)完成氣道試驗(yàn)。圖1所示為該性能檢測(cè)盒的結(jié)構(gòu)示意。

1.問題分析

該零件采用代木樹脂板進(jìn)行加工，此材料韌性更好，穩(wěn)定性更高，更環(huán)保，比較適合于做檢具、夾具和治具等精度比較高的產(chǎn)品。性能檢測(cè)盒的結(jié)構(gòu)具有以下特點(diǎn)：座圈孔直徑m m，導(dǎo)管孔直徑mm，座圈孔及導(dǎo)管孔相對(duì)于豎直方向傾斜19.5°，座圈孔及導(dǎo)管孔的同軸度要求0.1mm。

使用三軸機(jī)床加工零件時(shí)，對(duì)于零件的正面結(jié)構(gòu)特征，一般不存在刀具加工不到的情況，但對(duì)于座圈及導(dǎo)管孔，由于三軸機(jī)床的刀軸處于垂直狀態(tài)，不能傾斜，刀具不能切入，因此座圈及導(dǎo)管孔無(wú)法機(jī)加工成形。此時(shí)，使用五軸機(jī)床配合3+2軸加工方式，將刀軸根據(jù)座圈及導(dǎo)管孔的結(jié)構(gòu)特征傾斜一定角度，將這兩個(gè)結(jié)構(gòu)特征轉(zhuǎn)變?yōu)檎娼Y(jié)構(gòu)特征，如圖2所示。依然使用三軸加工策略來(lái)計(jì)算刀具路徑，這樣即可解決座圈及導(dǎo)管孔的機(jī)加工成形問題。

為保證氣道性能檢測(cè)盒的精度要求，采用上下盒分別加工，座圈及導(dǎo)管孔留余量后再合件加工的方法，以保證同軸度要求。

圖1 性能檢測(cè)盒結(jié)構(gòu)

2.零件加工工藝分析

由于零件結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，加工時(shí)采用粗加工→半精加工→精加工→多次清根→鉆孔等工藝過(guò)程進(jìn)行程序編制，加工順序按照燃燒室面→氣道面→合件精加工三個(gè)步驟進(jìn)行。

擬按照附表所述工藝流程計(jì)算燃燒室面部分結(jié)構(gòu)的加工刀具路徑。其余結(jié)構(gòu)可按照此過(guò)程編制程序。

圖2 導(dǎo)管孔粗加工

3.CNC加工過(guò)程分析

首先要設(shè)定一個(gè)合格的毛坯，該毛坯需將性能檢測(cè)盒的上下部分都包括在其內(nèi)部，通過(guò)邊界計(jì)算，毛坯的尺寸設(shè)為400mm×300mm×100mm，完全滿足要求。毛坯建立后，在毛坯中間設(shè)立坐標(biāo)系，后續(xù)加工以該坐標(biāo)系為準(zhǔn)，因此選擇毛坯中間進(jìn)行坐標(biāo)系建立，這樣加工時(shí)，操作者容易定位找正，三維顯示如圖3所示。

以所建立的坐標(biāo)系為基準(zhǔn)，創(chuàng)建相應(yīng)的刀具對(duì)該毛坯進(jìn)行切削加工。本次加工共需要五種型號(hào)的刀具，即直徑為20mm、8mm、6mm、3mm和1mm的球刀，直徑為20mm、8mm的棒銑刀，直徑為8mm及6mm的鉆頭，其中φ20mm的球刀用于第一步的粗加工，快速去除大部分加工余量，提高加工效率，φ8mm、φ6mm的球刀用于殘留模型加工，繼續(xù)切削上一步?jīng)]有加工到的部位，為精加工提供技術(shù)支持。φ3mm、φ1mm的球刀用于過(guò)渡圓角處的清根，刀具建立如圖4所示。

圖3 零件毛坯及坐標(biāo)系

零件數(shù)控加工工藝過(guò)程表

以上是將毛坯、坐標(biāo)和刀具分別建立的過(guò)程，下一步開始CNC數(shù)控加工最核心的內(nèi)容——加工策略的編制，首先進(jìn)行零件燃燒面的加工，經(jīng)過(guò)如附表所示的數(shù)控加工工藝過(guò)程，如圖5所示。

燃燒室面加工完成后，在程序輪廓外鉆鉸2處φ8mm定位找正孔，并在毛坯四邊精加工一邊作為找正線，翻面后將坐標(biāo)系繞Y軸翻轉(zhuǎn)180°，以找正線及φ8mm定位找正孔找正零件毛坯，加工氣道面，如圖6所示。

加工完成后將性能檢測(cè)盒的下盒取下，將加工后的上盒與下盒裝配合件后，壓板壓緊頂面（避開燃燒室），精加工導(dǎo)管孔及座圈孔（見圖7）。

成品完成后，利用三坐標(biāo)檢測(cè)設(shè)備對(duì)零件尺寸進(jìn)行檢測(cè)（見圖8），結(jié)果滿足圖樣要求。

4.結(jié)語(yǔ)

本次CNC數(shù)控加工解決了氣道性能檢測(cè)盒的制作周期與技術(shù)問題，驗(yàn)證了加工策略和刀具方案，掌握了相關(guān)的加工經(jīng)驗(yàn)，為后續(xù)同類產(chǎn)品試制開發(fā)奠定了工藝基礎(chǔ)，該技術(shù)方法可廣泛應(yīng)用于類似結(jié)構(gòu)的零件加工，具有很好的指導(dǎo)意義。

圖4 φ20mm球刀建立視圖

圖5 燃燒室面仿真結(jié)果

圖6 氣道面仿真結(jié)果及加工實(shí)例

圖7 合件加工導(dǎo)管孔

圖8 三坐標(biāo)檢測(cè)